交错垂直梳齿型静电驱动MEMS微镜设计与实验

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微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)是一种在半导体制造技术的基础上发展起来的先进的制造技术,可以在几毫米甚至更小的尺寸上构建独立的智能系统。MEMS由于其微型化、智能化、多功能和高集成度的突出特点,在加速度计、陀螺仪、微镜、微谐振器等方面得到广泛应用,并且已经成功实现了商业化应用。微镜是MEMS的一个重要分支,使用微加工工艺制备微型的反射镜,通过微观驱动结构驱动镜面发生偏转或位移,由于其微型化和低功耗的特点,在光学开关、显示、医学内窥镜和激光雷达等方面得到了广泛的应用,特别是在自动驾驶技术飞速发展的今天,激光雷达对性能可靠的MEMS微镜的需求也越来越大。其驱动方式有电磁驱动、电热驱动、压电驱动和静电驱动四种,其中静电驱动的结构相对简单,具有响应速度快和功耗小的特点,是最典型的驱动方式。静电驱动中目前应用最广泛地是垂直梳状驱动结构,这种结构具有较高的驱动力力密度和较宽的连续扫描范围,因此是业内人士研究的重点。其制造方法根据固定梳齿和移动梳齿的相对位置大致可以分为两类:角垂直梳齿驱动结构(AVC)和交错垂直梳齿驱动结构(SVC),AVC结构固定梳齿和移动梳齿是在同一个平面内同步制作的,而SVC结构固定梳齿和移动梳齿分为两步制作,并存在垂直方向上的落差。本文研究设计了一种以SVC结构为基础,通过键合工艺制作的交错垂直梳齿驱动MEMS微镜,并对其制作工艺进行了探索。主要的研究内容如下。(1)在SVC型静电梳齿驱动结构的理论基础上,根据静电力驱动解析模型公式和材料力学中矩形杆扭转的特点,对梳齿结构的尺寸和微镜的扭转梁尺寸进行了设计,并最终确定了理论结构稳定的器件结构尺寸,在施加驱动电压为80V时,微镜理论最大偏转角为10.3°。(2)在完成器件结构尺寸设计后,基于实验条件和方法,然后对整个实验的流程进行完整设计,确定了使用键合方式来制备微镜结构。整体实验思路为:先在第一片硅片上完成版标图形、镜面预留活动空间和底部梳齿结构的刻蚀后,再在这片样品上键合另一片硅片,将键合上的顶层硅片进行减薄抛光后再刻蚀顶层梳齿和微镜结构,并制备电极和反射层。(3)根据实验步骤,使用L-Edit软件对每一步版图进行绘制,并合理安排器件在样片上的排布方式。(4)按照实验思路设计,对整个微镜结构的制备过程进行探索,在实验中不断发现问题并解决问题,最终确定了每一步刻蚀时掩膜层材料、光刻所需的光刻胶类型和显影条件、深硅刻蚀条件和键合条件,并最终成功将样片解离成2mm×2000mm的单个器件。
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